ЛЕКЦИЯ №9 АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СНИМКИ ИХ ТИПЫ И

ЛЕКЦИЯ №9
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СНИМКИ ИХ ТИПЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ПЛАН
1. Классификация космических снимков
2. Характеристика основных типов снимков
В результате выполнения аэрокосмических съемок накоплен многомиллионный фонд снимков,
в котором насчитывается более 100 их разновидностей. Для того чтобы специалисты-географы могли
эффективно
использовать
материалы
аэрокосмических
съемок,
они
систематизированы,
сгруппированы в типы снимков, различающихся по возможностям их применения в географических
исследованиях. Приводимые ниже классификации охватывают в основном космические снимки, как
наиболее значимые для географических исследований.
Классификация космических снимков
При работе со снимками для географов в первую очередь важны спектральный диапазон съемки,
который определяет биогеофизические характеристики объектов, передаваемые снимками, и
технология получения изображения, от которой зависят изобразительные, радиометрические и
геометрические свойства снимков. Эти две характеристики представляют основу классификации
космических снимков, учитывающей возможности их географического дешифрирования (рис. 1).
Спектральный диапазон съемки определяет первый, фундаментальный, уровень этой
классификации,
учитывающий
отражательные
и
излучательные
характеристики
объектов,
воспроизводимые на снимках. По этому признаку выделяются три основные группы снимков:
а) в видимом, ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, который называют также
световым;
б) в тепловом инфракрасном диапазоне;
в) в радиодиапазоне.
По технологии получения снимки в световом диапазоне делятся на фотографические и
сканерные, которые, в свою очередь, подразделяются на полученные оптико-механическим и оптикоэлектронным сканированием с использованием линейных ПЗС-приемников излучения. Для краткости
первые из них названы сканерными, а вторые - ПЗС-снимками. Таким образом, в световом диапазоне
выделены три типа снимков: фотографические, сканерные и ПЗС-снимки.
Поскольку снимки в тепловом инфракрасном диапазоне в настоящее время получают в
основном по единой технологии, то они представлены одним типом - это тепловые инфракрасные
снимки.
Рис. 1. Классификация космических снимков по спектральным диапазонам и технологии съемки
Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от выполнения пассивной или активной
съемки на микроволновые радиометрические снимки, получаемые при регистрации собственного
излучения исследуемых объектов, и радиолокационные снимки, получаемые при регистрации
отраженного радиоизлучения, посылаемого с носителя.
Названия типов снимков условны. Так, сканирование используется для получения разных типов
снимков, а название сканерные отнесено лишь к снимкам, получаемым оптико-механическими
сканерами в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.
Радиометрическими являются также несколько выделенных типов, а название отнесено лишь к
микроволновым,
чтобы подчеркнуть
их
отличие от
получаемых
при
активном
методе
радиолокационных снимков.
Каждый из выделенных типов снимков далее может быть подразделен с учетом показателей,
определяющих их дешифровочные возможности, - обзорности, масштаба и пространственного
разрешения (территориального охвата), которые зависят от конкретных параметров съемки: высоты
орбиты, характеристик съемочной аппаратуры и др.
Классификации
космических
снимков
по
дешифрирования, в целом образуют единую систему:
этим
трем
показателям,
важнейшим
для
По обзорности
Глобальные (планета)
S = n108 км2;  = 10000км
Крупнорегиональные
S = n106 км2;  = 500-3000 км
Региональные
По масштабу
Сверхмелкомасштабные
1:10000000-1:100000000
Мелкомасштабные
1:1000000-1:10000000
Среднемасштабные
1:100000-1:1000000
Крупномасштабные
1:10000-1:100000
S = n104 км2;  = 50 - 500км
Локальные
S = n102 км2;  = 10 -50 км
По пространственному разрешению
Снимки низкого разрешения LR= п1000 м
Снимки среднего разрешения LR = п 100 м
Снимки высокого разрешения LR = п 10 м:
а) LR = 30-100 м - относительно высокого
б) LR = 10-30 м – высокого
Снимки очень высокого разрешения LR = п\ м
Снимки сверхвысокого разрешения LR < 1 м
S - площадь охвата снимка;  - ширина полосы охвата; LR - разрешение на местности; п = 1÷9.
По обзорности (охвату территории одним снимком) снимки разделяют следующим образом:
1. Глобальные, охватывающие всю планету, точнее освещенную часть одного полушария - это
снимки Земли с геостационарных спутников и межпланетных космических аппаратов. Ширина зоны
охвата у них более 10 тыс. км, а территориальный охват составляет сотни миллионов квадратных
километров.
2. Крупнорегиональные, отображающие материки, их части и крупные регионы, - снимки с
метеорологических спутников на околоземных орбитах, а также снимки малого и среднего
разрешения с ресурсных спутников. Ширина зоны охвата варьирует от 3 тыс. км у снимков малого
разрешения до 500 км у снимков среднего разрешения, территориальный охват составляет миллионы
квадратных километров. На одном снимке этого типа изобразится Западная Европа, почти вся
Австралия, Средняя Азия, Тибет.
3. Региональные, на которых изображаются регионы и их части, - это снимки с ресурсных и
картографических спутников, а также с пилотируемых кораблей и орбитальных станций. Наиболее
характерный охват 350 х 350 км2,180 х 180 км2, 60 х 60 км2. На снимке подобного охвата изобразится
такое государство, как Бельгия, небольшая область, например Московская, крупные мегаполисы.
4. Локальные, на которых изображаются относительно небольшие участки местности, - снимки
со
спутников
для
детального
наблюдения
и
крупномасштабного
топографического
картографирования с охватом порядка 10 х 10 км2. На таком снимке изобразится промышленный
комплекс, крупное хозяйство, небольшой город, а для Москвы потребуется несколько снимков.
Охват аэроснимков составляет от сотен квадратных метров до 20 х 20 км2; обычно он
существенно меньше, чем у космических снимков, но мелкомасштабные аэроснимки по охвату
перекрываются с детальными космическими.
По масштабу космические снимки делят на следующие группы:
1) сверхмелкомасштабные -1:10 000 000 - 1: 100 000 000. Такие снимки получают с
геостационарных спутников и с метеоспутников на околоземных орбитах;
2) мелкомасштабные - 1:1 000000 - 1:10000000. Такие масштабы типичны для снимков с
ресурсных спутников, а также с пилотируемых кораблей и орбитальных станций;
3) среднемасштабные - 1:100 000 -1:1 000 000. Снимки таких масштабов получают с ресурснокартографических спутников;
4)
крупномасштабные - 1:10000 - 1:100000. Это снимки со спутников для детального
наблюдения и крупномасштабного топографического картографирования, в том числе спутников
двойного назначения: военного и гражданского. К данной группе относятся и аэроснимки, которые, в
свою очередь, дифференцируются по масштабам.
По пространственному разрешению (размеру на местности минимального изображающегося
элемента LR) снимки разделяют так:
1. Снимки низкого разрешения (измеряется километрами, LR ≥ 1000 м). Такое разрешение
характерно для сканерных и тепловых инфракрасных снимков с метеоспутников, включая
геостационарные, и для снимков, получаемых сканерами малого разрешения с ресурсных спутников,
где основные изображающиеся объекты - облачность, тепловая структура вод океана, крупнейшие
геологические структуры суши.
2. Снимки среднего разрешения (сотни метров, LR = 100-1000 м), на которых отображаются
многие природные объекты, но в большинстве случаев не воспроизводятся объекты, связанные с
хозяйственной деятельностью. Это снимки, получаемые сканерами Среднего разрешения, и тепловые
инфракрасные снимки с ресурсных спутников.
3. Снимки высокого разрешения (десятки метров, LR = 10-100 м), на которых изображаются не
только природные, но и многие хозяйственные объекты. Высокое разрешение характерно для
наиболее широко используемых сканерных снимков с ресурсных спутников и фотографических
снимков с пилотируемых кораблей, орбитальных станций, автоматических картографических
спутников. Поскольку размерность большинства изучаемых географических объектов находится как
раз в этих пределах, снимками этой группы удовлетворяется большинство географических задач. Но
для решения этих задач они неравноценны. Поэтому эта группа подразделяется на две подгруппы:
а) снимки относительно высокого разрешения (30-100 м), получаемые главным образом
сканирующей аппаратурой с ресурсных спутников для решения оперативных задач и обзорного
тематического картографирования;
б) снимки высокого разрешения (10-30 м) - это фотографические, сканерные и ПЗС-снимки с
ресурсно-картографических и ресурсных спутников, используемые для детального тематического
картографирования.
4. Снимки очень высокого разрешения (единицы метров, LR = 1-10 м), на которых отображается
весь комплекс природных и хозяйственных объектов, включая населенные пункты и транспортные
сети. Снимки получают длиннофокусной фотографической и аппаратурой ПЗС-съемки с
картографических спутников для решения задач топографического картографирования.
5. Снимки сверхвысокого разрешения (доли метра, LR ≤ 1 м), детально отображающие
населенные пункты, промышленные, транспортные и другие хозяйственные объекты. Эти снимки
получают с использующих аппаратуру ПЗС-съемки специализированных спутников для детальной
съемки и крупномасштабного топографического картографирования. К данной группе относится и
весь огромный массив аэрофотоснимков.
При классификации снимков по масштабу следует учитывать, что для фотографических
снимков принято указывать оригинальный масштаб снимков, получаемых при съемке; для сканерных
же снимков принимают масштаб, наиболее широко используемый при визуализации изображения.
Характеристика основных типов снимков
В классификации космических снимков по спектральному диапазону и технологии съемки
выделено шесть основных типов космических снимков. В разделах о приемниках излучения,
съемочной аппаратуре, видах съемки приводятся сведения об их различных свойствах. В настоящем
разделе рассматривается общая сравнительная характеристика этих типов снимков и областей их
применения.
Фотографические снимки, которые получали с помощью фотографических камер, при
вынужденной доставке экспонированной пленки на Землю, предназначались для решения не
оперативных, а долговременных либо разведывательных задач. Они характеризуются высокой
детальностью и до середины 90-х гг. XX в. были лучшими снимками по разрешению и
геометрическим свойствам. На снимках находят отображение оптические характеристики объектов
(интегральная или спектральная яркость). Космические фотоснимки обычно получали с низких
околоземных орбит, с картографических (топографических) спутников в масштабах 1:200000-1:1
000000 с разрешением 2 - 30 м. Благодаря высокой детальности и непрерывному изображению с ними
работают, как правило, при значительном увеличений - в 5 -20 раз. При относительно небольшом (40 300 км) охвате снимков, имеющих центральную проекцию, искажения за кривизну Земли и рельеф
невелики и устранимы. Перекрытие обеспечивает получение стереоскопических снимков. Для работы
на компьютере фотографические снимки переводят в цифровую форму. Для топографического
картографирования используют черно-белые панхроматические снимки, а для тематического многозональные и спектрозональные, в основном цветные.
Сканерные снимки, получаемые при оптико-механическом сканировании в видимом и ближнем
инфракрасном диапазоне и передаваемые по радиоканалам, как и фотографические, отображают
оптические характеристики объектов, но такую съемку отличает оперативность, вплоть до получения
изображений в реальном масштабе времени. В отличие от фотографических сканерные снимки
представляют дискретные изображения, детальность которых определяется размером пиксела.
Пространственное разрешение сканерных снимков долгое время было существенно ниже, чем
фотографических, измерялось километрами, но в последние годы их получают с разрешением 15-30 м.
Охват снимков варьирует от 180 км до 2-3 тыс. км. Характерны различия в проекции вдоль полета и
по строке. Из-за перспективного изображения при больших углах сканирования по краям снимка
масштаб становится более мелким, а разрешение падает. Вместе с неодновременным получением
изображения, когда на его формировании сказывается вращение Земли, все эти факторы влияют на
геометрические свойства снимков и осложняют их обработку. Геометрическая коррекция снимков по
орбитальным данным и по опорным точкам осуществляется с помощью компьютера. Сканерные
снимки поступают с метеорологических и ресурсных спутников и используются для оперативных
целей (прогноз погоды, гидрологические прогнозы) и тематического картографирования. Как правило,
сканерные снимки - многозональные.
ПЗС-снимки, получаемые с помощью оптико-электронных сканеров с линейными ПЗСприемниками излучения и передаваемые со спутника по радиоканалам, характеризуются высоким
разрешением. Как и фотографические снимки, они регистрируют оптические характеристики
исследуемой территории. Благодаря центральной проекции по строке снимка его масштаб в центре и
по краям одинаков и форма объектов не искажается, что является преимуществом этих снимков по
сравнению с полученными при оптико-механическом сканировании. Высокая чувствительность
детекторов и их миниатюрные размеры вместе с использованием длиннофокусных объективов
обеспечивают высокое разрешение, которое составляет от первых десятков метров (10-45 м) до метра
и даже менее. Таким образом, теперь эти снимки по разрешению достигли лучших фотографических
снимков. Однако охват снимков невелик - 40-70 км, а у снимков наиболее высокого разрешения всего 10-15 км. Наилучшим разрешением отличаются панхроматические снимки, а разрешение
многозональных снимков в 2 -4 раза хуже. Для стереообработки получают конвергентные снимки с
отклонением оптической оси от вертикали. ПЗС-снимки делают с ресурсно-картографических
спутников и специализированных спутников для детальной съемки; используют их для тематического
и топографического картографирования.
Тепловые инфракрасные снимки, получаемые в тепловом инфракрасном диапазоне,
отображают в отличие от предыдущих не оптические, а температурные характеристики поверхности холодные и теплые объекты изображаются на них разными тонами. Можно получать снимки
независимо от условий освещения, например полярной ночью, однако облачность является
препятствием для съемки - на снимках отображается холодная верхняя поверхность облаков. Тепловая
съемка нередко выполняется теми же сканирующими радиометрами, что и съемка в видимом и
ближнем инфракрасном диапазоне, дополненными тепловыми каналами. Пространственное
разрешение тепловых снимков, передаваемых с метеоспутников, такое же, как и снимков в видимом
диапазоне, - 1 км, температурные различия регистрируются с точностью 0,1 - 0,2°С. При
значительном охвате 2-3 тыс. км и большом угле сканирования для них характерны те же
геометрические искажения, что и для сканерных снимков в видимом диапазоне. С ресурсных
спутников передают тепловые снимки более высокого пространственного разрешения, достигающего
60 м при охвате 180 км. Тепловые снимки поступают и в многозональном варианте съемки, а также
при гиперспектральной съемке в узких зонах теплового диапазона.
Микроволновые радиометрические снимки регистрируют радиотепловое излучение Земли в
микроволновом радиодиапазоне, которое, как уже отмечалось, зависит от электрических свойств
поверхности и неодинаково у объектов с разным влагосодержанием, соленостью, различной
кристаллической структурой. Снимки можно получать независимо от погодных условий и освещения.
Разрешение микроволновых радиометрических снимков пока очень мало - 12 - 50 км, что не позволяет
использовать их для изучения земной поверхности, но на них отображается возраст морских льдов,
водосодержание снега. Микроволновые снимки получали с некоторых метеоспутников. Для широкого
использования этих снимков с целью изучения влажности и солености почв, толщины и водозапаса
снежного покрова необходимо повышение их пространственного разрешения.
Радиолокационные снимки получают в радиодиапазоне, регистрируя отраженные земной
поверхностью радиосигналы, посылаемые бортовым радиолокатором. На радиолокационных снимках
отображаются шероховатость и влажность поверхности, ее рельеф, особенности структуры и состав
пород, слагающих поверхность, характер растительного покрова. При определенных длинах волн
излучения на снимках отображаются подповерхностные неоднородности грунта, грунтовые воды.
Возможность получения снимков не зависит от условий погоды и освещения - облачность на них не
отображается. Пространственное разрешение радиолокационных снимков определяется прежде всего
размером антенны. У снимков, сделанных радиолокатором бокового обзора с реальной антенной, оно
составляет 1 - 2 км, но в большинстве случаев при использовании радиолокаторов с синтезированной
длиной антенны получают снимки с разрешением 10 -30 м при ширине обзора около 100 км. В
последние годы начали получать снимки радиолокаторами с переменным режимом работы,
обеспечивающим снимки разного разрешения от 2 до 100 м при охвате 45 - 500 км. Специфику
радиолокационного снимка составляет мелкая пятнистость изображения - технические спекл-шумы
(от англ. speckle - крапчатость) и своеобразное отображение горного рельефа. Принцип
многозональной съемки в радиодиапазоне реализуется при съемке в разных зонах пространственных
частот и при различной поляризации излучения. Радиолокационные снимки поступают с
океанологических и специализированных спутников; применяют их в широком спектре направлений
исследований океана и суши, включая задачи топографического картографирования.